热轧作为钢铁生产流程的重要环节，具有高频、强耦合、非线性等特点，温度、相变、应力相伴相生。经历工业3.0后，热轧技术在主线自动化程度、品种规格、产品质量、信息融通等方面取得了长足的进步，但仍然存在如下亟待解决的问题：库区、磨辊间、能源介质、质检等非主线单元存在着大量的人工操作，劳动生产率低下；加热能力、轧线节奏、多区域调度、生产顺行等问题影响产能释放，高效生产需求迫切；以板形、表面、轧破甩尾为代表的质量和生产稳定性长期困扰热轧企业，控制模型精度、设备状态、关键检测缺失、监控不完善、人工干预多等是主要原因；缺乏工厂级成本管理系统，能耗到卷（或板、管、棒等）、成本到卷无法实现，做不到精细成本控制；自动化、信息化已逐步完善，但许多和设备、人员、物料、能源等密切相关的数字化工作尚在起步；上下游工序、工厂业务之间缺乏物质流、信息流、能量流协同机制，工作效率低下，标准实施和固化困难，决策靠人。 热轧面临的如上问题大多是多因素或多目标问题，需要从全局加以考虑，现有的多级计算机系统构架具有局限性，热轧智能工厂建设则为解决如上问题提供了契机。本项目提出一种以问题为导向的热轧“双智控”智能工厂构架方案，以短板补齐、智能检测、工业互联网平台等为支撑，以关键绩效指标为牵引，从操维集约和业务协同两个方面出发，借助精准感知、数字孪生、工艺驱动、智能算法等手段，追求产线极度自动化和业务高效协同化。热轧智能工厂的建设实现物质流、能量流、信息流互联互通，并完成生产过程中大尺度的全局优化和资源配置，可推动真正意义上的热轧工厂技术变革。

我国高铁装备制造用钢铁材料研发与应用，相比日、德、法等发达国家起步较晚，仍处于消化、吸收及再创新的过程中，迄今仍存在材料基础研究不足、产品性能及质量稳定性低等问题，成熟的国产化材料体系还未形成，中高速动车制动系统、牵引系统核心部件用钢铁材料绝大部分依赖进口。技术方面主要存在的问题包括： 1、高铁冷成形弹簧钢要求材料具有高强度、高韧性、高疲劳、超纯净，尤其对耐疲劳性能提出了更高要求，传统的弹簧钢能够满足热成形要求，却难以满足冷成形后的各项性能要求； 2、制动盘作为高铁摩擦制动系统的关键部件，服役条件极其苛刻，国内缺少高铁制动盘用钢的产品，高铁制动盘用钢的高强韧性、耐高温、耐磨、抗疲劳、抗氧化性和良好的环境适应性等综合性能需要系统研究； 3、高铁用高温渗碳齿轮钢与国外存在明显差距，随着渗碳温度的提高，奥氏体晶粒易发生长大，对强韧性、热处理变形、抗疲劳性能等产生不利影响； 4、高铁用钢合金体系复杂，含有Cr、Ni、Cu、Al、V、N、Nb等多种元素，钢种裂纹敏感性高，连铸过程中极易产生内外部质量问题； 5、高铁用钢铁材料性能的均一性要求高，成分均质性、碳极差等需要系统提升。 南钢积极践行《中国制造2025》、《钢铁工业调整升级规划》、《中长期铁路网规划》、《增强制造业核心竞争力三年行动计划》等国家相关产业政策导向，于2018年获得国家工信部工业强基 “轨道交通装备用高性能齿轮渗碳钢”项目支持，2019年获得国家发改委增强制造业核心竞争力专项“先进轨道交通装备材料高铁刹车盘用钢”支持，2021年进入江苏省轨道交通装备产业链强链项目。南钢成立产学研用团队，联合北京科技大学、中盛铁路车辆配件有限公司、中车戚墅堰所等高校院所及上下游企业，全产业链协同攻关，结合自身装备和技术优势，陆续开展纯净钢冶炼及夹杂物塑性化控制、钢的成分均质化控制、裂纹敏感钢种铸坯表面质量控制、渗碳奥氏体晶粒度控制等技术研究，明确了轨道交通用钢开发的具体目标和实施方案，形成了具有自主知识产权的轨道交通用钢生产控制技术，相继完成了高铁弹簧用钢、制动盘用钢、轨道交通齿轮钢等产品开发及产业化应用，填补了国内空白，解决了“卡脖子”材料问题。

我国高铁装备制造用钢铁材料研发与应用，相比日、德、法等发达国家起步较晚，仍处于消化、吸收及再创新的过程中，迄今仍存在材料基础研究不足、产品性能及质量稳定性低等问题，成熟的国产化材料体系还未形成，中高速动车制动系统、牵引系统核心部件用钢铁材料绝大部分依赖进口。技术方面主要存在的问题包括： 1、高铁冷成形弹簧钢要求材料具有高强度、高韧性、高疲劳、超纯净，尤其对耐疲劳性能提出了更高要求，传统的弹簧钢能够满足热成形要求，却难以满足冷成形后的各项性能要求； 2、制动盘作为高铁摩擦制动系统的关键部件，服役条件极其苛刻，国内缺少高铁制动盘用钢的产品，高铁制动盘用钢的高强韧性、耐高温、耐磨、抗疲劳、抗氧化性和良好的环境适应性等综合性能需要系统研究； 3、高铁用高温渗碳齿轮钢与国外存在明显差距，随着渗碳温度的提高，奥氏体晶粒易发生长大，对强韧性、热处理变形、抗疲劳性能等产生不利影响； 4、高铁用钢合金体系复杂，含有Cr、Ni、Cu、Al、V、N、Nb等多种元素，钢种裂纹敏感性高，连铸过程中极易产生内外部质量问题； 5、高铁用钢铁材料性能的均一性要求高，成分均质性、碳极差等需要系统提升。 南钢积极践行《中国制造2025》、《钢铁工业调整升级规划》、《中长期铁路网规划》、《增强制造业核心竞争力三年行动计划》等国家相关产业政策导向，于2018年获得国家工信部工业强基 “轨道交通装备用高性能齿轮渗碳钢”项目支持，2019年获得国家发改委增强制造业核心竞争力专项“先进轨道交通装备材料高铁刹车盘用钢”支持，2021年进入江苏省轨道交通装备产业链强链项目。南钢成立产学研用团队，联合北京科技大学、中盛铁路车辆配件有限公司、中车戚墅堰所等高校院所及上下游企业，全产业链协同攻关，结合自身装备和技术优势，陆续开展纯净钢冶炼及夹杂物塑性化控制、钢的成分均质化控制、裂纹敏感钢种铸坯表面质量控制、渗碳奥氏体晶粒度控制等技术研究，明确了轨道交通用钢开发的具体目标和实施方案，形成了具有自主知识产权的轨道交通用钢生产控制技术，相继完成了高铁弹簧用钢、制动盘用钢、轨道交通齿轮钢等产品开发及产业化应用，填补了国内空白，解决了“卡脖子”材料问题。

实现长材无人吊运，电磁吊具是最为通用的方式。但是棒线材难以严格按垛位码放，并且容易发生滚动移位，此时按照钢卷库的库位定位方式，容易由于定位精度不足产生钢材重心在吊具边缘之外的“虚吊”现象，从而导致起吊失败或者吊运过程中的钢材掉落事故。因此，需要开展针对长材无人天车吊运的关键技术攻关。另一方面，智能库管系统应能够适应长材吊运特点，对库位变化有自动调整适应的能力，并且应满足大型物流库对天车、地面物流设备、发运设备等的全局动态优化调度需求；同时，针对物流库区的厂内倒运与存储转运销售功能，需要满足无人操作条件下的全自动卸车、自动装车需求，并能实现与生产、销售系统的对接协同。 为此，北京科技大学工程技术研究院（以下简称“北科工研”）针对棒线材库区，创新开发了以库区环境感知与三维重构、机器视觉与天车控制深度融合、库区多智能体协同优化的智能库管调度、库区集控与智能工厂协同优化为标志性的第二代无人天车与智能库管技术，并实现针对棒材智能库与高线智能库的首创示范应用。

大量粉尘与降尘水、冷却水结合，侵蚀导卫板底部表面形成氧化物颗粒，在轧制振动下与降尘水一道沉降在轧材表面，被轧辊压入造成轧材表面氧化铁皮灰缺陷。为解决该问题，项目团队开发基于仿生设计的超润滑微纳织构表面，应用于改善新型合金钢导卫板底面的疏水疏尘性能，避免粉尘在机件表面沉积；利用氮化钛涂层工艺强化主齿轮箱轴承承载面织构润滑性和耐磨性，研制的轴承微纳织构表面摩擦系数不高于0.002，实现轧机轴承润滑减振。该项研究获2014年国家自然科学基金项目（51405350）支持，成功开发油膜厚度激光微距测量系统和气楔协同润滑测试控制实验平台，在摩擦学学报等国内外权威期刊发表SCI/EI论文20余篇，授权发明专利2项。2018年该技术应用于武钢有限CSP主轧线主减速箱轴承（K18BWBC900），大幅改善力能性能，有效降低轧制振动。相关成果获2019年湖北省科技进步一等奖和二等奖2项。 2019年，基于上述成果，武钢有限与武科大继续联合开展热轧抑尘提质技术攻关（K19BWAD071和21K001BWAD），重点解决源头抑尘提质的两个关键难点问题：（1）开发低表面能液固界面微纳织构润滑减振抑尘关键技术，以减轻粉尘沉积和导卫板振动，有效减少铁皮灰缺陷；（2）开发自适应高温雾化降尘关键技术和超微雾化关键元件，以提升高温工况下的降尘效率。在此基础上，利用自主知识产权开发静电凝并深度净化技术，实现热轧粉尘可控超净排放；开发高密度磁场强化技术和高效自清洁滤尘装备，提升含尘浊环水滤尘效率。

智能化、绿色化是钢铁行业的发展方向，而数字化是智能化的重要基础，在钢铁工程建设特别是新型钢厂建设过程中，如何实现全流程全方位的数字化和绿色化，还需要解决以下四个核心问题。 1.解决新一代信息技术与钢铁全流程深入融合的问题。一是解决信息感知与数据不全的问题；二是挖掘数据的深层次价值，解决大部分数据仍在沉睡的问题；三是提高数据孪生效率，解决产线各系统之间彼此孤立、信息孤岛，数据资产和价值有待进一步挖掘的问题。 2.解决绿色技术与工程设计的融合与协同问题。我国钢铁行业执行全球最严行业排放标准，河钢集团所在的河北省排放限值又高于国家标准。另外，钢铁行业存在工艺流程长、工序多、污染物种类多的特点，增加了污染物协同治理的难度。以产品为主导的传统钢厂设计模式，生产制造与绿色技术协同性不够，导致全流程绿色技术与总体设计融合难。 3.解决新一代流程钢厂各工序高效衔接的问题。依据冶金流程学理论，钢厂工序流转应遵循“流转时间最小化、空间路径最小化、过程排放最小化”的总体设计理念，但如何实现“最小化”，在实际操作时难以量化和及时调整。需要通过数字化手段，搭建流程优化和智能化运行总平台，实现各工序间的高效衔接。 4.解决钢铁工程项目管理手段不统一的问题。钢铁工程由于规模大、系统复杂，面临工程难以协同管理的问题，主要表现在工艺设计、设备管理、现场施工等资源集中管控平台缺失、技术体系无法共享、信息沟通效率低等方面，严重影响和制约了工程建设效率。

设备智能运维是钢铁工业智能制造的短板，存在下列问题： 1、设备运维数智化基础薄弱，设备状态相关的数据没有得到全面有效的采集、存储、管理，全口径设备数据在线率不足1%。 2、以人为主的设备管理导致过度依赖人的行为、经验，设备风险难以控制，设备维护经验、知识碎片化，缺少系统化的积累、提炼、优化、传播。 3、设备维护相关数据没有得到有效开发、应用，基于数据的决策偏少，智能化应用不成体系，运维全流程协同优化乃至支撑产供销全局优化没有依托和抓手。 4、未能实现对环保设备设施运行状态的精准把握，保证其持续可靠运行，减少和降低污染排放，支撑环保达标和超低排放的实现。高能耗设备的运行缺乏数据支撑，降低能耗的目标难以达成。 5、设备维护功能分割过细，点检、运行、日修、抢修等多种角色并存，设备点检不到位、设备维修质量无数据支撑，设备日常运行过程中的“跑冒滴漏”问题严重，不仅增加消耗，也间接增加环境压力，效率提升遇到瓶颈。 针对这些问题，宝武装备智能科技有限公司研发成功一套钢铁全工序、全流程设备智能运维系统（技术、产品、标准与体系），攻克了面向钢铁全工序的设备智能运维平台、面向状态变化趋势决策的设备智能运维智能专家系统、面向服务一致性的设备智能运维标准、面向运维全流程的智能运维体系等四个方面十二项核心技术，实现了面向钢铁行业的全工序全流程的智能运维系统和超大规模化工程应用。

目前我国材料创新能力受制于四个痛点问题：（1）研发资源分散、研发工具软件缺乏集成部署和管控，研发效率低；（2）原始数据大多集中在科研人员手中，缺乏数据共享和传承；（3）行业主流研发生态仍是研发炒菜式的“经验+试错”，数字化研发仍属局部；（4）现有超算平台难以满足图形界面、公网计算等材料研发需求，工具软件利用门槛高，软硬件资源利用率低。 针对上述问题，中国钢研充分发挥在金属新材料研发领域多年积淀的知识、技术和产业化优势，联合北京钢研新材科技有限公司、杭州德迪智能科技有限公司，从技术、场景和生态三个维度，开展Material-DLab金属材料数字化研发平台的构建及示范应用。对强化我国金属材料基础科研能力，加速数字化研发生态形成，促进行业协同创新和变革材料研发模式具有重要意义。

本项目属于金属材料加工制造领域。汽车车轮作为行走部件，其轻量化节能效果是车体5倍以上。立项之初，我国商用车车轮最轻37kg，钢材强度最高600MPa，车轮进一步轻量化面临系列难题，如传统650MPa及以上双相钢强塑性好，但焊后成形开裂率达20%以上、疲劳寿命不足国标60%；双相钢轧速慢、中温卷取温度稳定性差；车轮结构设计不匹配及服役评估周期长。为此，开发650-800MPa级车轮钢高效化制备及应用关键技术，对解决商用车车轮轻量化材料设计、制备和应用瓶颈问题，促进我国钢轮行业进步和节能减排具有重要意义。 本项目历经近十年研发，取得以下创新： （1）提出了基于“材料设计、材料制备、材料应用”车轮轻量化思路，形成了高品质钢材开发、高效制备及高服役应用成套技术，开发了650-800MPa级系列车轮钢及28-34kg九款车轮产品，实现单轮减重8-16%且疲劳寿命突破100万次，并在国内首次通过欧标双轴疲劳实验。 （2）提出了基于“疲劳、成型、焊接、表面”良好匹配的高品质车轮钢组织性能设计，改变了传统双相车轮钢组织控制思路，明确了轮辋钢“细晶铁素体+针状铁素体+（0.85-0.90）屈强比”、轮辐钢“针状铁素体+马氏体组织+（0.70-0.80)屈强比”调控目标，实现了在34kg及以下商用车车轮上的批量稳定应用。 （3）开发了以中间坯快冷、精轧高速轧制和轧后前后段超快冷等协同控制的车轮钢高质高效轧制技术，解决了车轮钢组织调控、性能及表面稳定控制难题，实现了轧制效率提升30%以上。 （4）开发了轮辋对焊过热区塑性控制，双丝双弧角接头高熔深焊接、基于道路动态载荷的复杂服役工况疲劳分析等技术，实现过热区与母材硬度差降低至35HV以下，轮辋轮辐合成焊接头疲劳寿命提高1.5倍以上。 该项目获授权专利18项，其中发明专利12项，制定行业标准2项，获得2020年中国钢铁工业产品开发市场开拓奖。近三年产量27.7万吨，市场占有率≥60%，新增产值11.4亿元，净利润1.2亿元。高品质车轮钢应用于正兴、日上等龙头企业，出口德日美等多个国家，并在一汽、Daimler等企业广泛应用。该成果极大推动了车轮及商用车轻量化进程，具有广阔应用前景。

复相钢由于具有优异的折弯扩孔性能、疲劳耐久性能、碰撞吸能性能，应用于汽车关键零部件，对提升整车安全性能具有不可替代的作用。复相钢通常包含两类产品，其中冷轧复相钢主要用来制造对碰撞要求极高的门槛、座椅滑轨等车身安全结构件，热轧复相钢主要用来制造对成形及疲劳要求更高的底盘核心部件。受制于产线装备能力及产品高质量要求，项目之初我国复相钢产品及相关标准仍是空白，以北京奔驰为代表的汽车用户长期依赖于进口蒂森、阿赛洛、神户等国外钢企产品。近年来，国内宝钢借助于热轧产品升级及冷轧高强产线能力提升，积累了一定的复相钢生产开发经验，但国内外复相钢还存在一些难题尚未有效解决，如：热轧复相钢扩孔率波动大（30-80%）、成形能力不足导致开裂率高达4%，冷轧复相钢性能合格率仅有80%、折弯性能不良导致开裂率高达8%、边部开裂率达到5%、板形不良导致零件空间尺寸合格率仅有90%等。为此，首钢联合北京科技大学、北京奔驰等单位，历时多年，开发了780-1180MPa级别高性能复相钢系列产品，解决了复相钢生产应用共性难题，实现了技术引领，主要创新如下： （1）揭示了复相钢局部成形性能的影响机理，提出了基于微细颗粒残余奥氏体和纳米析出强化铁素体的组织调控新思路，开发了热轧控制中间层冷温度及冷轧低温退火的复相钢生产新技术，实现热轧800MPa复相钢扩孔率≥55%且伸长率≥12%，冷轧1000MPa复相钢180°弯曲半径达到0t。 （2）形成了极限规格冷轧复相钢“热轧-层冷过程凸度/平直度协同控制+大轧制力冷轧板形调控域优化”的全流程板形控制技术，解决了复相钢高轧制负荷下的板形难题，实现了平直度≤2mm/2000mm，制作零件空间尺寸合格率提升至96%以上。 （3）发明了基于材料的边部裂纹敏感性评价方法及基于零件成形方式的等效极限预测方法，揭示了材料物理特性对边部裂纹的影响规律，实现了材料与零件相结合的事前预测，复相钢冷成形边部开裂率降低至0.2%以下。 该成果获授权专利22项，其中发明专利14项，主持及参与编写国家标准5项。近三年产量累计近14.27万吨，实现净利润1.23亿元。高性能复相钢产品在奔驰、宝马、北汽、长城等用户广泛应用，镀锌复相钢市场占有率超过50%，奔驰国内供应商独家供货。本项目开发复相钢为汽车行业高端材料国产化做出了突出贡献，推广应用前景广阔。